計(jì)算機(jī)在國內(nèi)化工熱力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

郭相坤++吳文榮++張惠玫++馬名杰++王梯延++王瀟

【摘要】本文基于中國知網(wǎng)收錄的相關(guān)文獻(xiàn)，對計(jì)算機(jī)在國內(nèi)化工熱力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用成果進(jìn)行梳理與總結(jié)，以期為后續(xù)的教學(xué)研究提供參考。

【關(guān)鍵詞】化工熱力學(xué) 教學(xué) 計(jì)算機(jī)應(yīng)用 現(xiàn)狀

【中圖分類號】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）01-0002-03

一、引言

化工熱力學(xué)（Chemical Engineering Thermodynamics CET）是伴隨著化學(xué)工業(yè)發(fā)展而形成的應(yīng)用性交叉學(xué)科，主要研究化工過程中能量、能量轉(zhuǎn)換以及與能量轉(zhuǎn)換有關(guān)物性間相互關(guān)系，是基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間的紐帶和橋梁[1]，也是化工專業(yè)核心課程群的基石[2]。

CET理論性強(qiáng)，概念抽象、模型復(fù)雜、邏輯性、系統(tǒng)性強(qiáng)，推導(dǎo)繁壅，雖經(jīng)近50年發(fā)展，教學(xué)體系完整且嚴(yán)謹(jǐn)，但仍是難“教”和難“學(xué)”的課程。因此，處理好CET的“教”與“學(xué)”，是對任課教師的挑戰(zhàn)，也是教學(xué)實(shí)踐過程中亟需解決的問題。

隨著微電子、計(jì)算科學(xué)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，計(jì)算機(jī)性價比不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，給CET教學(xué)改革與發(fā)展提供了歷史機(jī)遇，結(jié)合計(jì)算機(jī)應(yīng)用的教學(xué)模式，把更多精力集中于培養(yǎng)學(xué)生熱力學(xué)嚴(yán)密邏輯思維和解決工程問題的能力，是CET教學(xué)改革的方向之一[3]，已用于輔助教學(xué)及物性計(jì)算、過程模擬等。

本文基于截止到2015年8月31日，中國知網(wǎng)收錄的與計(jì)算機(jī)在CET教學(xué)應(yīng)用相關(guān)文獻(xiàn)，對國內(nèi)CET教學(xué)中計(jì)算機(jī)應(yīng)用成果進(jìn)行梳理與總結(jié)，為后續(xù)CET教學(xué)研究提供參考。

二、多媒體軟件的應(yīng)用

將直觀、生動、形象的多媒體技術(shù)應(yīng)用到CET教學(xué)中，不僅可刺激、感染和吸引學(xué)生，直觀演示數(shù)據(jù)圖表，化抽象概念為直觀形象，也可簡化CET中的復(fù)雜計(jì)算和公式推導(dǎo)，形象展示化工操作單元[4]，還可增加教學(xué)信息量和學(xué)生的感知量[5]，是突破CET教學(xué)難點(diǎn)、彌補(bǔ)學(xué)時有限、實(shí)施開放學(xué)習(xí)的有效手段[6]。

目前，絕大多數(shù)CET任課教師，都或多或少采用了計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（Computer Aided Instruction CAI），有些還建設(shè)了便于學(xué)生交流學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)平臺。如有在雙語教學(xué)過程中，創(chuàng)作圖、文、聲、色并茂CAI課件的[7-8]；有結(jié)合CAI、教學(xué)網(wǎng)站建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)通訊工具，實(shí)現(xiàn)資源共享的[9-11]；有將Aspen的計(jì)算理念和CAI相融合的[12]，也有將傳統(tǒng)教學(xué)手段與CAI結(jié)合[13-27]，并建設(shè)開放式網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的[21-24， 26-28]。

也有結(jié)合多種多媒體軟件，制作了交互式CAI課件[5， 29-34]或可完整展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程的CET虛擬實(shí)驗(yàn)室[35]。

另外，施云海認(rèn)為CET教學(xué)改革可以CAI為主，任課教師要盡快抓好CAI軟件編制和教材編寫，形成教學(xué)軟件包[3]。然而，CAI雖有諸多優(yōu)勢，CET教學(xué)卻不能被CAI取代，因?yàn)镃AI本身僅是利用了先進(jìn)的教學(xué)工具和手段，并不等于教學(xué)方法也先進(jìn)，只有與先進(jìn)的教學(xué)方法相結(jié)合，CAI才能最大限度地發(fā)揮其作用[36]，而且課件內(nèi)容表現(xiàn)形式也要適當(dāng)，課件制作應(yīng)重點(diǎn)突出[4-5]。

三、專業(yè)計(jì)算軟件的應(yīng)用

隨著計(jì)算科學(xué)和軟件技術(shù)發(fā)展，已推出了功能強(qiáng)大的商業(yè)化專業(yè)軟件，如化學(xué)化工專業(yè)軟件Aspen、Simulis Thermodynamics、Hysys、ChemCAD，數(shù)學(xué)軟件Mathematica、Maple、MathCAD等，已成功應(yīng)用于CET的教學(xué)中。

如有的以Aspen、Simulis Thermodynamics及Excel，組織學(xué)生上機(jī)實(shí)踐[37]；或以Aspen為工具[38-41]，以PR狀態(tài)方程計(jì)算定組成天然氣的摩爾體積、1-丁烯狀態(tài)變化后的摩爾體積、焓和熵的變化[38]，計(jì)算正丁烷在273.15 K時的氣、液飽和熱力學(xué)性質(zhì)[39]，計(jì)算水/乙醇體系的相平衡曲線的方法[41]。

也有的僅使用Excel的計(jì)算功能[42-48]，如重新計(jì)算[42， 47]、規(guī)劃求解[42]和單變量求解功能[42， 47]，計(jì)算乙烷的摩爾體積、壓縮因子、剩余熵、剩余焓與逸度等性質(zhì)[43-44]、泡點(diǎn)與露點(diǎn)等[45]，以及高壓下丙烯-丙烷混合氣體密度及甲醇/乙睛體系相平衡數(shù)據(jù)的計(jì)算等[47]。

也有將數(shù)學(xué)軟件結(jié)合CAI，應(yīng)用于CET的教學(xué)過程的，如利用符號計(jì)算系統(tǒng)Maple，計(jì)算流體PVT性質(zhì)、剩余性質(zhì)和相平衡[49]；或利用MathCAD計(jì)算氣相組分的逸度、液體混合物中組分逸度及活度系數(shù)模型參數(shù)的擬合、多元相平衡[50]以及計(jì)算了剩余自由能、剩余焓和剩余熵[51]等。

四、專用軟件的開發(fā)

盡管專業(yè)軟件成熟，功能強(qiáng)大，使用方便，然而需花巨資購買，推廣普及難度大，因而，有些學(xué)者建議使用程序設(shè)計(jì)語言，引導(dǎo)學(xué)生自行設(shè)計(jì)程序，開發(fā)了CET教學(xué)或計(jì)算專用軟件[52-58]。

如采用Basic編程，進(jìn)行物性計(jì)算[52]；以VB語言為工具，開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的，可用于Windows平臺下CET教學(xué)與計(jì)算的模塊化、菜單式、界面友好、視窗化的軟件包[53]，以及可采用不同狀態(tài)方程進(jìn)行純流體及二元混合流體熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算與教學(xué)，并對流體的物性參數(shù)實(shí)行數(shù)據(jù)庫管理的視窗化的軟件包[54]。

也有將Borland C ++與FORTRAN語言相結(jié)合，開發(fā)了可用于氣體的熱力學(xué)性質(zhì)、溶液的性質(zhì)、純組分以及多組分體系汽液平衡的計(jì)算，界面友好、自帶漢字系統(tǒng)、操作簡單的CET教學(xué)軟件包[55]。

Matlab使用、編程簡單，語法靈活，程序設(shè)計(jì)自由，程序可移植性、兼容性優(yōu)良的特點(diǎn)，可很好地解決CET各種復(fù)雜、非線性的計(jì)算，如流體pVT的計(jì)算和相平衡的計(jì)算等，同時可用于無約束多元函數(shù)參數(shù)回歸，有效地解決CET的復(fù)雜計(jì)算，拓展CET的理論教學(xué)，如以純流體熱力學(xué)性質(zhì)、露點(diǎn)壓力及組成以及活度系數(shù)模型參數(shù)的回歸計(jì)算[59]、基于Wilson活度模型的常壓二元汽液平衡數(shù)據(jù)的處理等[60]。

還有人設(shè)計(jì)了既可用于化工原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)，又可進(jìn)行常見汽液傳質(zhì)設(shè)備設(shè)計(jì)的兩棲軟件THPRO，將化工原理、CET、計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合[61]。

五、結(jié)論

計(jì)算機(jī)在CET教學(xué)中的應(yīng)用以CAI較為普遍；專業(yè)軟件由于受到使用許可及投資的制約，不便于推廣；使用程序設(shè)計(jì)語言可實(shí)現(xiàn)編制者的思想，不受版權(quán)的限制，但需要有先期學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。

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基金項(xiàng)目： 2013年河南理工大學(xué)教改項(xiàng)目：《化工熱力學(xué)》交互形象化教學(xué)改革的探索與實(shí)踐（編號：2013JG076）